Результат интеллектуальной деятельности: Способ и состав для боромеднения железоуглеродистых сплавов

Изобретение относится к способу химико-термической обработки и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий и технологической оснастки из конструкционных сталей и чугунов.

Известны способы диффузионного борирования конструкционных сталей и чугунов (Ворошнин Л.Г. и др. Кавитационностойкие покрытия на железоуглеродистых сплавах. / Под ред. М.Н. Бодяко. - М.: Наука и техника, 1987. - 248 с.) из порошков, которые содержат в качестве борсодержащих элементов готовые продукты высокотемпературного синтеза: карбид бора, бор аморфный. Недостатками таких способов являются высокая стоимость насыщающих смесей, низкая насыщающая способность, приводящая к длительной выдержке при термообработке, и получение покрытий высокой хрупкости, затрудняющей проводить финишную обработку для получения деталей высокой точности.

Известен способ боромеднения стальных изделий в виброкипящем слое (Пат. РФ №2004619), при соотношении компонентов:

B₄C-5..40%, закись меди-0.01..0.4%, хлористый аммоний-0.01..0.5%, корунд-остальное. Процесс включает в себя нагрев, насыщение и охлаждение деталей. Нагрев при температуре 400-450°С в течении 10-20 мин., насыщение при 600-950°С в течении 1 часа. Недостатком состава по данному способу является нецелесообразное насыщение поверхности тонким слоем меди при выдержке, насыщение поверхности в течении 1 часа, следовательно получение диффузионного боромедненного слоя размером 40-110 мкм, отсутствие повышения насыщающей способности смеси.

Известен состав (А.С. №1544840) для боромеднения железо-углеродистых сплавов в порошковой среде, содержащей в качестве борсодержащего вещества карбид бора 40-44 мас.%, натрий фтористый 8-12, окись меди 32-40 мас.% как окислитель при протекании экзотермической реакции, порошок титана 8-10 мас.%, выступающий восстановителем при экзотермической реакции, порошок меди 2-4 мас.%, вводимый с целью получения слоя обогощенным медью. Диффузионное боромеднение проводят в течении 1-2 часов при температуре 540-620°С. Недостатком известного способа является использование порошка титана по причине его высокой стоимости, получение диффузионных слоёв с малой толщиной 30-40мкм.

Известен способ (патент РФ 2477337), в котором снижение стоимости насыщающих смесей осуществляется за счет использования в качестве борсодержащего компонента борной кислоты, которая вводится в состав в виде гранул, которые получают путем приготовления смеси, содержащей 70-74 мас. % Н₃ВО₃, 24-28 мас. % Al, недостатками которого являются необходимость предварительной подготовки смесей путем неоднократной термообработки, спекаемость смесей при повторных термообработках с регенерацией гранулами и получение двухфазных хрупких боридных покрытий.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ борирования деталей из железоуглеродистых сплавов (патент РФ 2602217), включающий приготовление насыщающей смеси состава, мас. %: карбид бора 30-38, медьсодержащий компонент в виде оловяннистой бронзы 30-38, композиционная смесь в виде гранул на основе обезвоженной борной кислоты 30 и 2 натрия фтористого или тетрафторобората калия, упаковку деталей в герметичный контейнер. Оловяннистая бронза способствует значительной интенсификации процесса насыщения поверхности железоглеродистых сталей бором. При указанной концентрации перечисленных компонентов на поверхности железоуглеродистых сплавов за 4 часа выдержки при температуре 950°С можно получить однофазные боридные покрытия борида Fe₂B, толщиной до 200-240 мкм с максимальной твердостью с середине слоя с HV 1700-1800. Недостатками донного способа являются высокая стоимость порошковой оловянистой бронзы, а также сравнительно низкая реакционная способность гранул на основе обезвоженной борной кислоты из-за положительного изобарно-изотермического потенциала восстановления окиси бора до бора алюминием при указанных температурах термообработки.

Целью изобретения является упрощение состава, снижение стоимости смесей, интенсификация процесса химикотермической обработки

Технический результат изобретения достигается за счет дополнительного введения в состав композиционных гранул на основе обезвоженной борной кислоты окиси меди, при этом гранула содержит, масс.%: борная кислота 40, окись меди 35, алюминий 25, а насыщающая смесь имеет следующий состав, мас. %: карбид бора 10-20, композиционная смесь в виде гранул на основе окиси меди и обезвоженной борной кислоты 30-50, оловяннистая бронза 10-15, активатор 2, оксид алюминия остальное.

Способ осуществляется следующим образом.

Готовятся композиционные гранулы на основе борной кислоты и окиси меди следующего состава, масс.%

Борная кислота 40

Оксись меди 35

Алюминий 25

Подготовленная смесь перемешивается, затем обезвоживается выдержкой в печи при температуре 500-520°С в течении 1,5-2 часов с получением спека. После чего полученный спек подвергается дроблению до гранул, размером 1-5 мм.

Готовится насыщающая смесь в следующем соотношении, масс.%:

Карбид бора 10-20

Гранулы 30-50

Оловяннистая бронза 10-15

Натрий фтористый 2

Оксид алюминия остальное

При введении окиси меди в состав гранулы за счет меньшей температуры начала высокотемпературного синтеза и высокого экзотермического эффекта восстановления окиси меди до меди алюминием в грануле достигается достаточная температура для более полного восстановления окиси бора до активных борсодержащих элементов, которые являются основными транспортерами бора. Значительно снижает спекаемость состава после термообработки. Количество окиси меди в грануле и количество гранул в составе выбрано экспериментальным путем. При уменьшении перечисленных компонентов уменьшается толщина покрытий, при увеличении наблюдается уменьшение твердости покрытий. Увеличение содержания гранул в смеси при термообработке в контейнерах большой вместимости приводит к разрыву контейнеров по швам сварки из-за значительного увеличения объема насыщающей смеси, что делает нецелесообразным применение плавкого затвора на крышке контейнера при безокислительном нагреве для сохранения активных борсодержащих компонентов.

При указанной концентрации перечисленных компонентов на поверхности железоуглеродистых сплавов за 4 часа выдержки при температуре 950°С можно получить однофазные боридные покрытия борида Fe₂B, на Стали 3, стали 45, толщиной до 220-250 мкм, стали У8 до 240-280 мкм с максимальной твердостью в приповерхностом слоя HV 1700-1800, повышенной пластичностью поверхностного слоя, поддающегося шлифованию или обработке резцом без разрушения боридного покрытия. На стали 5ХНМ толщина покрытий составляет до 300-330 мкм (Фиг. 1 и 2).